作业六
一、请阅读并总结Operating Systems: Three Easy Pieces中23 Complete VM Systems中的The Linux Address Space一段
The Linux Address Space简要介绍了Linux操作系统中进程的地址空间，并着重介绍了其中的内核地址空间。
和诸多现代操作系统一样，Linux的进程地址空间也是由用户地址空间和内核地址空间两部分构成，地址从低到高分别为：User Code —> User Heap —> User Stack —> Kernel (Logical) —> Kernel(Virtual)。
在32位Linux系统中，内核空间和用户空间的分界点在0xC0000000处，即内核所占空间与用户空间的比例为1:3。
经搜索相关资料，了解到在64位Linux系统中，基于四级页表的的机制，其只使用后47位地址，前17位只做拓展使用。故：
用户空间地址为：0x0000000000000000 ~ 0x00007FFFFFFFFFFF
内核空间地址为：0xFFFF800000000000 ~ 0xFFFFFFFFFFFFFFFF
分别占据地址空间的底端和顶端，其余地址空间均为Unused。
值得注意的是，在地址空间内，Linux会设置Page0，也就是从零地址开始的一页不可使用。通过这样设置，可以有效解决空指针检测问题，同时也可以避免一些安全性问题，如利用空指针写入非法数据。
对于内核空间，其还可以再细分为逻辑地址和虚拟地址。
对于逻辑地址，在地址空间内连续的地址也会映射到连续的物理地址，一方面，连续的地址很容易进行地址转换；另一方面，连续的地址可以为DMA机制提供实足的方便。
而对于虚拟地址，它和用户空间的虚拟地址类似：不一定连续，且需要较复杂的转换，但是较容易分配。
内核的虚拟地址空间最初是由于在32位操作系统中，内核空间较小，为了能够提供1GB以上的可用空间才进行了如此设置。而随着64位操作系统的推出，内核空间也随之变大，这个问题也不再明显，但由于虚拟地址灵活性大、内存利用率高等特点，在64位操作系统中并没有舍弃内核虚拟地址空间。
二、总结你对讨论mmap的理解。
mmap是一个系统调用，作用是将用户空间的一片虚拟地址与磁盘某个文件对应起来，即建立“映射”关系，以进行文件的读和写。
1、mmap的工作流程：
1)在调用mmap之后，会在进程的虚拟内存开辟一片地址空间，并使要映射的文件映射到这一片地址空间。
注意，在这里只是进行了虚拟地址的分配，而并没有将文件加载到物理内存中，也没有进行虚拟地址到物理地址的映射。
2)当读取或写入mmap进行映射的文件时，我们会开始虚拟地址到物理地址的转换：通过查页表，发现对应的物理地址没有被分配，产生缺页，通过缺页处理函数，分配相应的物理地址，再将文件读到物理地址中，更新页表。
此时，有数据流的映射关系才真正被建立起来，先前的映射关系只是“挂了名”
2、MAP_SHARED和MAP_PRIVATE的实现
在进程A对fileA进行了mmap映射之后，如果进程B又再次调用了mmap映射fileA，
那么MMU在发现缺页之后，会在内存进行相应页的查找（根据文件系统）
如果找到了对应页（先前进程A使用mmap的指针时分配的物理页面），那么就更新页表，使得进程B分配的虚拟地址也指向该物理页。
如果是MAP_SHARED，那么很简单，由于二者映射的是同一片物理页，所有修改都可见。
如果是MAP_PRIVATE，则进行Copy-On-Write，当触发写的时候，再分配一片物理页，修改虚拟地址指向的物理地址，更新页表，将内容复制后再修改新的物理页。
如果没有找对应页（可能是因为被替换出了内存），则处理方法与第一次调用mmap时发生缺页相同。
注意：如果映射的是匿名文件，则对应的物理页无法被替换出内存，如果出现内存不足的情况下，可能会因为Out Of Memory导致进程终止。
3、mmap的效率：
write系统调用：先将要写的user buffer 复制到 kernel buffer 中，再写入到物理页中。
（不同文件系统的实现不同，ext4文件系统是直接把user buffer写入到物理页中）
read系统调用：先将物理页/磁盘中内容复制到kernel buffer中，再复制到user buffer中。
mmap：不论读写，都是user buffer 与 物理页/磁盘 的直接交互，只会触发一次复制。
可以看到，read/write系统调用都触发了两次复制（假设write使用了kernel buffer），而mmap只有一次，mmap的效率显然更高。
但是假设write系统调用是按ext4文件系统的方式实现的，则write在一次写入的大小与mmap相同（即一页的大小）时，两者的效率应该差不多。